WO2014131555A1 - Galvanisches element - Google Patents

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WO2014131555A1
WO2014131555A1 PCT/EP2014/050993 EP2014050993W WO2014131555A1 WO 2014131555 A1 WO2014131555 A1 WO 2014131555A1 EP 2014050993 W EP2014050993 W EP 2014050993W WO 2014131555 A1 WO2014131555 A1 WO 2014131555A1
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membrane
air
galvanic element
electrode
cavity
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PCT/EP2014/050993
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Markus Kohlberger
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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Application filed by Robert Bosch Gmbh, Samsung Sdi Co., Ltd. filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/138—Primary casings; Jackets or wrappings adapted for specific cells, e.g. electrochemical cells operating at high temperature
    • H01M50/1385—Hybrid cells
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a galvanic element having a
  • Metal electrode an air electrode as a counter electrode and an electrically conductive electrolyte between the metal electrode and the air electrode, wherein a first membrane is provided, can pass through the air to the air electrode.
  • Lithium-air batteries or lithium-air cells represent a new type of galvanic element, which could replace the lithium-ion batteries or lithium-air cells in the future.
  • one of the electrodes consists of lithium
  • the counter electrode is a composite in which the lithium with
  • Atmospheric oxygen reacts.
  • the oxygen passes through a membrane, which must be specially impermeable to water (steam). That is, important for the performance of a lithium-air battery is the supply of
  • the present invention is therefore based on the object at least partially overcome the problems described above.
  • it is
  • Object of the present invention to provide a galvanic element, in particular a lithium-air accumulator, which in
  • a galvanic element having a metal electrode, an air electrode as a counter electrode and an electrically conductive electrolyte between the metal electrode and the
  • Air electrode wherein a first membrane is provided, through the air to the
  • the galvanic element is characterized in that a housing is provided, which covers the first membrane such that a cavity between the first membrane and the housing is formed, wherein the housing is at least partially formed by a second membrane or at least one opening in which a second membrane is arranged, wherein through the second membrane air can pass into the cavity.
  • Such a trained galvanic element ensures in a cost effective and simple way that no water or water vapor can penetrate into the galvanic element, but at the same time a high air supply is ensured to the galvanic element.
  • the core of the invention is the double membrane design. This ensures that water or water vapor is not in the
  • Air electrode can penetrate.
  • the first membrane also referred to as inner membrane is surrounded by the at least one housing and thereby protected.
  • the housing is at least partially formed by a second membrane or has at least one opening in which a second membrane is arranged. This allows water or
  • the second, outer membrane prevents water or steam from entering the cavity. This ensures that air is predominantly present in the cavity. Because there is almost exclusively air in the cavity, it is ensured that no water or water vapor passes through the first membrane to the air electrode. That is, through the second membrane, the first membrane before
  • Such a configuration of the galvanic element prevents water (vapor) from penetrating into the galvanic element, in particular into the metal electrode and into the air electrode. Invading water would otherwise be with the
  • the air electrode is formed on a carbon basis, whereby a low weight is possible. That is, preferably, the cathode is made of an air-permeable carbon-based electrode through which the oxygen can enter the galvanic element, that is, the cell interior.
  • the second membrane has a lower porosity compared to the first membrane.
  • the second membrane has a lower, in particular significantly lower, water vapor permeability compared to the first membrane. This ensures that only air can pass through the second membrane into the cavity, but at the same time the air in the cavity passes very well through the first membrane to the air electrode.
  • a buffer space for oxygen can be provided between the membranes. That is, the larger the cavity is formed, the more oxygen can be stored in the cavity and fed to the air electrode as needed.
  • the second "outer" membrane has only a low porosity and blocks very well against water vapor.
  • the oxygen required for this is in cavity
  • the cavity ensures that sufficient air can be provided at a high power requirement of the air electrode. Due to the low porosity of the second membrane, only limited air can penetrate into the cavity. However, this is also not necessary, since as a rule sufficient air is buffered in the cavity at a high power requirement.
  • the first membrane is significantly more permeable compared to the second membrane and thus allows high performance, but could not reject the water vapor well enough.
  • Oxygen is released back to the environment.
  • Oxygen which is supplied via the cavity of the air electrode possible. Since the oxygen does not have to be carried in the galvanic element, the mass of the galvanic element can be kept low. Furthermore, a galvanic element is preferred in which in the
  • Air electrode and / or in the cavity a porous filler material is arranged.
  • a porous filler material is arranged.
  • a galvanic element is particularly preferred, wherein in the
  • Air electrode is provided a catalyst for supporting the air supply from the cavity into the air electrode.
  • the porous filler can serve as a catalyst.
  • the catalyst in the air electrode and in the cavity improves the uptake of oxygen from the air.
  • platinum can be used for the catalyst.
  • the first membrane which has a relatively high porosity and therefore a high
  • Permeability may be formed in various ways. Preferred is a galvanic element, wherein the first membrane as a perforated
  • Housing element made of metal, plastic or composite material, is formed.
  • Such a first membrane ensures a high permeability of the air or oxygen, which is provided in the cavity of the galvanic element.
  • the electrically conductive electrolyte comprises an ionic liquid, a polymer or a ceramic.
  • ionic liquid a polymer or a ceramic.
  • Liquid can be used in particular liquid salts. These are very stable even at high temperatures.
  • the galvanic element in which the metal electrode has lithium or zinc. That is, the galvanic element is then a lithium-air cell or a lithium-air accumulator or a zinc-air cell or a zinc-air accumulator.
  • a zinc-air cell has an anode of zinc powder or zinc sponge.
  • lithium-air cell serves as an anode lithium. This is advantageous because lithium is the lightest alkali metal and it easily gives off electrons.
  • Zinc-air cells or lithium-air cells which are formed as described above, prevent water (vapor) from entering the cell, and allow, in particular due to the high porosity of the first membrane, that air or oxygen can quickly reach the air electrode, so that a rapid response and thus a high efficiency of the cell is ensured.
  • FIG. 2 shows a galvanic element according to the invention in the form of a lithium-air accumulator
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a galvanic according to the invention
  • Figure 4 shows another embodiment of an inventive
  • a galvanic element 1 in the form of a known lithium-air battery is shown schematically.
  • the galvanic element 1 has a metal electrode 2, an air electrode 3 as a counter electrode and an electrically conductive electrolyte 4 between the metal electrode 2 and the air electrode 3. Furthermore, a first membrane 5 is provided, through the air
  • the air electrode 3 is a composite in which the lithium with
  • Atmospheric oxygen reacts.
  • the oxygen passes through the membrane 5, which is impermeable to water (vapor). That is, important for the
  • the galvanic element 1 according to the invention in the form of a lithium-air accumulator.
  • the galvanic element 1 according to the invention has a housing 6 which covers the first membrane 5 in such a way that a cavity 7 is formed between the first membrane 5 and the housing 6.
  • the housing has two openings 9, in each of which a second membrane 8 is arranged, and through the second membrane 8 air or oxygen 12 can pass through the cavity 7.
  • the first membrane 5 in the galvanic element 1 according to FIG. 2 is very porous and thus very permeable. This can cause air
  • the second, outer membrane 8 are provided in the housing 6. These second membrane 8 are less porous and lock very well against water vapor. That is, the second diaphragms 8 allow air or oxygen 12 to enter the cavity 7 formed by the first diaphragm 5 and the housing 6. Water or water vapor, however, is blocked by the second membrane 8.
  • Oxygen 12 are provided from the cavity 7.
  • Permeability of the first membrane 5 is also a very high Luftrymoid oxygen supply to the air electrode 3 of the galvanic "
  • air or oxygen 12 can flow through the second membrane 8 in the cavity 7 and be buffered there. That is, the cavity 7 ensures that sufficient air 12 can be provided at a high power requirement of the air electrode 3.
  • lithium ions 10 travel from the lithium electrode 2 through the electrically conductive electrolyte 4 to the cathode, that is to the air electrode 3. The remaining free
  • Electrons 1 1 flow through an external circuit 13, in particular a consumer 14, to the air electrode 3 and connect there with oxygen 12 and lithium ions 10 to lithium peroxide.
  • the reverse process takes place. That is, in the air electrode 3, there is a reaction with the oxygen 12, which passes from the cavity 7 to the air electrode 3.
  • Fig. 3 shows schematically a second embodiment of a galvanic element 1 according to the invention.
  • the housing 6 forms, together with the first membrane 5, the cavity 7, which may be lined with a porous filling material 15, see Fig. 2.
  • the actual metal-air cell 1 is located in
  • the first membrane 5 is usually formed as a perforated metal or plastic housing or composite housing.
  • the outer membrane 8 has only a low porosity and locks very well against water vapor. If a high power requirement is needed, for. B. when accelerating a motor vehicle, the required oxygen 12 is in the
  • Cavity 7 provided. In the phases in which the load is low, the oxygen 12 can flow through the second membrane 8 into the cavity 7.
  • the first "inner" membrane 5 is significantly more permeable and thus allows high performance of the galvanic element 1, but could not reject water vapor well.
  • FIG. 1 Another embodiment of a galvanic element 1 is shown schematically in FIG.
  • the galvanic element 1 has additional second membrane 8 for air supply in the middle of the galvanic element 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element (1), mit einer Metallelektrode (2), einer Luftelektrode (3) als Gegenelektrode und einem elektrisch leitfähigen Elektrolyt (4) zwischen der Metallelektrode (2) und der Luftelektrode (3), wobei eine erste Membran (5) vorgesehen ist, durch die Luft zu der Luftelektrode (3) hindurchtreten kann, bei dem ein Gehäuse (6) vorgesehen ist, welches die erste Membran (5) derart abdeckt, dass ein Hohlraum (7) zwischen der ersten Membran (5) und dem Gehäuse (6) ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (6) zumindest bereichsweise durch eine zweite Membran (8) gebildet ist oder wenigstens eine Öffnung (9) aufweist, in der eine zweite Membran (8) angeordnet ist, wobei durch die zweite Membran (8) Luft in den Hohlraum (7) hindurchtreten kann

Description

Beschreibung
Galvanisches Element
Die vorliegende Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit einer
Metallelektrode, einer Luftelektrode als Gegenelektrode und einem elektrisch leitfähigen Elektrolyt zwischen der Metallelektrode und der Luftelektrode, wobei eine erste Membran vorgesehen ist, durch die Luft zu der Luftelektrode hindurchtreten kann.
STAND DER TECHNIK Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, wie bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, der
Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer gestellt werden. Ein wichtiger Parameter für die Leistungsfähigkeit ist die spezifische Energie des Batteriesystems. Sie wird in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) gemessen und gibt an, wieviel Energie in einem Kilogramm Batterie gespeichert werden kann. Es ist daher das Bestreben der Hersteller von Batteriesystemen, das Gewicht der Batteriesysteme zu reduzieren, um diesen Wert zu steigern.
Lithium-Luft-Akkumulatoren beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen stellen eine neue Art eines galvanischen Elementes dar, welche in Zukunft die Lithium-Ionen- Akkumulatoren beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen ersetzen könnten.
Bei derartigen Lithium-Luft-Akkumulatoren besteht eine der Elektroden aus Lithium, die Gegenelektrode ist ein Komposit, in dem das Lithium mit
Luftsauerstoff reagiert. Der Sauerstoff passiert hierbei eine Membran, die speziell undurchlässig gegen Wasser(dampf) sein muss. Das heißt, wichtig für die Leistungsfähigkeit eines Lithium-Luft-Akkumulators ist die Zufuhr von
Luftsauerstoff ins Gehäuse und durch die Membran des Lithium-Luft- Akkumulators. Ein Problem ist, dass Lithium mit vielen Stoffen reagiert. Insbesondere wenn Lithium mit dem Wasser in der Luft in Berührung kommt, kann es zu großen Problemen kommen. Es bildet sich dann Wasserstoff, der hoch explosiv ist und zur Zerstörung des Akkumulators führen kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die voranstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein galvanisches Element, insbesondere einen Lithium-Luft-Akkumulator, zur Verfügung zu stellen, welches in
kostengünstiger und einfacher Weise sicherstellt, dass kein Wasser
beziehungsweise Wasserdampf in das galvanische Element eindringt, und gleichzeitig eine hohe Luftzufuhr zu dem galvanischen Element gewährleistet.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein galvanisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den
Zeichnungen.
Das heißt, die Aufgabe der Erfindung wird durch ein galvanisches Element mit einer Metallelektrode, einer Luftelektrode als Gegenelektrode und einem elektrisch leitfähigen Elektrolyt zwischen der Metallelektrode und der
Luftelektrode, wobei eine erste Membran vorgesehen ist, durch die Luft zu der
Luftelektrode hindurchtreten kann, gelöst. Dabei ist das galvanische Element dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse vorgesehen ist, welches die erste Membran derart abdeckt, dass ein Hohlraum zwischen der ersten Membran und dem Gehäuse ausgebildet ist, wobei das Gehäuse zumindest bereichsweise durch eine zweite Membran gebildet ist oder wenigstens eine Öffnung aufweist, in der eine zweite Membran angeordnet ist, wobei durch die zweite Membran Luft in den Hohlraum hindurchtreten kann.
Ein derartig ausgebildetes galvanisches Element stellt in kostengünstiger und einfacher Weise sicher, dass kein Wasser beziehungsweise Wasserdampf in das galvanische Element eindringen kann, gleichzeitig aber eine hohe Luftzufuhr zu dem galvanischen Element gewährleistet ist. „
Kern der Erfindung ist die doppelte Membranausführung. Hierdurch ist sichergestellt, dass Wasser beziehungsweise Wasserdampf nicht in die
Luftelektrode eindringen kann. Die erste Membran, auch als innere Membran bezeichnet, ist durch das wenigstens eine Gehäuse umgeben und dadurch geschützt. Das Gehäuse ist zumindest bereichsweise durch eine zweite Membran gebildet oder weist wenigstens eine Öffnung auf, in der eine zweite Membran angeordnet ist. Hierdurch kann Wasser beziehungsweise
Wasserdampf nur erschwert zu der ersten Membran gelangen. Die zweite, äußere Membran verhindert, dass Wasser beziehungsweise Wasserdampf in den Hohlraum gelangt. Hierdurch ist gewährleistet, dass in dem Hohlraum vorwiegend Luft vorhanden ist. Dadurch, dass in dem Hohlraum fast ausschließlich Luft vorhanden ist, ist sichergestellt, dass kein Wasser beziehungsweise Wasserdampf durch die erste Membran zu der Luftelektrode gelangt. Das heißt, durch die zweite Membran kann die erste Membran vor
Wasser beziehungsweise Wasserdampf geschützt werden.
Eine derartige Ausgestaltung des galvanischen Elementes verhindert, dass Wasser(dampf) in das galvanische Element, insbesondere in die Metallelektrode und in die Luftelektrode, eindringt. Eindringendes Wasser würde sonst mit der
Luft zu Lithiumoxid und Wasserstoffgas reagieren.
Bevorzugt ist die Luftelektrode auf Kohlenstoffbasis ausgebildet, wodurch ein geringes Gewicht möglich ist. Das heißt, bevorzugt besteht die Kathode aus einer luftdurchlässigen Elektrode auf Kohlenstoffbasis, durch die der Sauerstoff in das galvanische Element, das heißt, das Zellinnere gelangen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem galvanischen Element vorgesehen sein, dass die zweite Membran eine im Vergleich zur ersten Membran geringere Porosität aufweist. Insbesondere bevorzugt weist die zweite Membran eine im Vergleich zur ersten Membran geringere, insbesondere deutlich geringere, Wasserdampfdurchlässigkeit auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass nur Luft durch die zweite Membran in den Hohlraum gelangen kann, gleichzeitig aber die Luft in dem Hohlraum sehr gut durch die erste Membran zu der Luftelektrode gelangt. Hierdurch kann zwischen den Membranen ein Pufferraum für Sauerstoff bereitgestellt werden. Das heißt, je größer der Hohlraum ausgebildet ist, desto mehr Sauerstoff kann in dem Hohlraum zwischengelagert und bei Bedarf der Luftelektrode zugeführt werden.
Die zweite„äußere" Membran weist nur eine geringe Porosität auf und sperrt sehr gut gegen Wasserdampf ab. Wrd ein hoher Leistungsbedarf benötigt, z. B. beim Beschleunigen eines Fahrzeugs, in dem das galvanische Element eingesetzt wird, so wird der dafür benötigte Sauerstoff im Hohlraum
bereitgestellt. In den Phasen, in denen die Belastung nur gering ist, kann der
Sauerstoff durch die zweite Membran in den Hohlraum nachströmen. Der Hohlraum stellt sicher, dass bei einem hohen Leistungsbedarf der Luftelektrode ausreichend Luft bereitgestellt werden kann. Aufgrund der geringen Porosität der zweiten Membran kann nur begrenzt Luft in den Hohlraum eindringen. Dies ist aber auch nicht notwendig, da in der Regel bei einem hohen Leistungsbedarf ausreichend Luft in dem Hohlraum gepuffert ist. Die erste Membran ist im Vergleich zur zweiten Membran deutlich durchlässiger und ermöglicht so eine hohe Leistungsfähigkeit, könnte aber den Wasserdampf nicht gut genug abweisen.
Während des Entladens des galvanischen Elementes lösen sich positiv geladene Metallionen von der Anode, das heißt der Metallelektrode, und wandern durch den elektrisch leitfähigen Elektrolyten hindurch zur Kathode, das heißt zur Luftelektrode. Die zurückbleibenden freien Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis, insbesondere den Verbraucher, zur Kathode und verbinden sich dort mit Sauerstoff und Metallionen zu Metallperoxid. Beim Aufladen läuft der umgekehrte Vorgang ab. Das heißt, in der Luftelektrode kommt es zu einer Reaktion mit dem Sauerstoff, der aus dem Hohlraum zu der Luftelektrode gelangt. Beim Laden des galvanischen Elementes, das heißt der Metall-Luft- Zelle, läuft dieser Prozess in umgekehrter Richtung ab. Der zuvor gebundene
Sauerstoff wird wieder an die Umgebung freigesetzt.
Bei dem galvanischen Element sind hohe Energiedichten aufgrund des
Sauerstoffs, welcher über den Hohlraum der Luftelektrode zugeführt wird, möglich. Da der Sauerstoff nicht im galvanischen Element mitgeführt werden muss, kann die Masse des galvanischen Elementes gering gehalten werden. Bevorzugt ist des Weiteren ein galvanisches Element, bei dem in der
Luftelektrode und/oder in dem Hohlraum ein poröses Füllmaterial angeordnet ist. Insbesondere bevorzugt ist ein galvanisches Element, bei dem in der
Luftelektrode ein Katalysator zur Unterstützung der Luftzufuhr von dem Hohlraum in die Luftelektrode vorgesehen ist. Das poröse Füllmaterial kann als Katalysator dienen. Der Katalysator in der Luftelektrode und in dem Hohlraum verbessert die Aufnahme des Sauerstoffs aus der Luft. Für den Katalysator kann beispielsweise Platin verwendet werden. Die erste Membran, die eine relativ hohe Porosität und damit eine hohe
Durchlässigkeit aufweist, kann verschiedenartig ausgebildet sein. Bevorzugt ist ein galvanisches Element, bei dem die erste Membran als ein gelochtes
Gehäuseelement, aus Metall, Kunststoff oder Verbundmaterial, ausgebildet ist. Eine derartige erste Membran gewährleistet eine hohe Durchlässigkeit der Luft beziehungsweise des Sauerstoffs, der im Hohlraum des galvanischen Elementes bereitgestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem galvanischen Element vorgesehen sein, dass der elektrisch leitfähige Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit, ein Polymer oder eine Keramik aufweist. Als ionische
Flüssigkeit können insbesondere flüssige Salze eingesetzt werden. Diese sind auch bei hohen Temperaturen sehr stabil.
Besonders bevorzugt ist ein galvanisches Element, bei dem die Metallelektrode Lithium oder Zink aufweist. Das heißt, bei dem galvanischen Element handelt es sich dann um eine Lithium-Luft-Zelle beziehungsweise um einen Lithium-Luft- Akkumulator oder um eine Zink-Luft-Zelle beziehungsweise um einen Zink-Luft- Akkumulator. Eine Zink-Luft-Zelle besitzt eine Anode aus Zinkpulver oder Zinkschwamm.
Aufgrund der Konsistenz des Zinkpulvers beziehungsweise des Zinkschwamms ist eine einfache und auch schnelle Freisetzung von Elektronen ermöglicht. Bei einer Lithium-Luft-Zelle dient als Anode Lithium. Dies ist vorteilhaft, da es sich bei Lithium um das leichteste Alkalimetall handelt und es leicht Elektronen abgibt.
Zink-Luft-Zellen beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen, die wie zuvor beschrieben ausgebildet sind, verhindern, dass Wasser(dampf) in die Zelle eindringt, und ermöglichen, insbesondere aufgrund der hohen Porosität der erste Membran, dass Luft beziehungsweise Sauerstoff schnell zu der Luftelektrode gelangen kann, so dass eine schnelle Reaktion und damit eine hohe Leistungsfähigkeit der Zelle gewährleistet ist.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Das erfindungsgemäße galvanische Element und eine Weiterbildung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 einen Lithium-Luft-Akkumulator gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 ein erfindungsgemäßes galvanisches Element in Form eines Lithium- Luft-Akkumulators,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen galvanischen
Elementes mit doppelter Membran und
Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
galvanischen Elementes mit doppelter Membran.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind den Fig. 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein galvanisches Element 1 in Form eines bekannten Lithium-Luft-Akkumulators dargestellt. Das galvanische Element 1 weist eine Metallelektrode 2, eine Luftelektrode 3 als Gegenelektrode und einen elektrisch leitfähigen Elektrolyten 4 zwischen der Metallelektrode 2 und der Luftelektrode 3 auf. Ferner ist eine erste Membran 5 vorgesehen, durch die Luft
beziehungsweise Sauerstoff 12 zu der Luftelektrode 3 hindurchtreten kann. Bei einem derartigen Lithium-Luft-Akkumulator 1 besteht eine der Elektroden aus Lithium, die Luftelektrode 3 ist ein Komposit, in dem das Lithium mit
Luftsauerstoff reagiert. Der Sauerstoff passiert hierbei die Membran 5, die undurchlässig gegen Wasser(dampf) ist. Das heißt, wichtig für die
Leistungsfähigkeit eines Lithium-Luft-Akkumulators ist die Zufuhr von
Luftsauerstoff durch die Membran 5 des Lithium-Luft-Akkumulators 1 . Nachteilig bei einem derartigen galvanischen Element 1 ist, dass die Membran 5 undurchlässig für Wasser(dampf) sein muss. Damit diese undurchlässig für Wasser(dampf) ist, weist sie eine geringe Porosität auf, so dass aber auch nur relativ langsam Luft beziehungsweise Sauerstoff durch die Membran 5 hindurchtreten kann.
Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes galvanisches Element 1 in Form eines Lithium-Luft-Akkumulators. Zusätzlich zu dem galvanischem Element 1 gemäß Fig. 1 weist das erfindungsgemäße galvanische Element 1 ein Gehäuse 6 auf, welches die erste Membran 5 derart abdeckt, dass ein Hohlraum 7 zwischen der ersten Membran 5 und dem Gehäuse 6 ausgebildet ist. Das Gehäuse weist zwei Öffnungen 9 auf, in denen jeweils eine zweite Membran 8 angeordnet ist, wobei durch die zweite Membran 8 Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 den Hohlraum 7 hindurchtreten kann.
Ferner ist im Unterschied zu der ersten Membran 5 des galvanischen Elementes 1 gemäß Fig. 1 die erste Membran 5 bei dem galvanischen Element 1 gemäß Fig. 2 sehr porös und damit sehr durchlässig. Hierdurch kann Luft
beziehungsweise Sauerstoff 12 leicht aus dem Hohlraum 7 durch die erste Membran 5 zu der Luftelektrode 3 gelangen. Damit kein Wasser
beziehungsweise Wasserdampf zu der Luftelektrode 3 gelangt, sind die zweiten, äußeren Membrane 8 in dem Gehäuse 6 vorgesehen. Diese zweiten Membrane 8 sind wenig porös und sperren sehr gut gegen Wasserdampf. Das heißt, die zweiten Membrane 8 ermöglichen, dass Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 in den Hohlraum 7, der durch die erste Membran 5 und das Gehäuse 6 ausgebildet wird, eintreten kann. Wasser beziehungsweise Wasserdampf wird dagegen durch die zweiten Membrane 8 geblockt.
Vorteilhaft bei einem derartig ausgebildeten galvanischen Element 1 ist, dass in dem Hohlraum 7 ausreichend Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 gespeichert werden kann, der bei Betrieb des galvanischen Elementes 1 für die Luftelektrode 3 bereitgestellt werden kann. Bei einem hohen Leistungsbedarf, beispielsweise beim Beschleunigen eines Fahrzeugs, in dem das galvanische Element 1 eingesetzt wird, kann die benötigte Luft beziehungsweise der benötigte
Sauerstoff 12 aus dem Hohlraum 7 bereitgestellt werden. Durch die hohe
Durchlässigkeit der ersten Membran 5 ist auch eine sehr hohe Luftbeziehungsweise Sauerstoffzufuhr zu der Luftelektrode 3 des galvanischen „
Elementes 1 gewährleistet. In den Phasen, in denen ein geringer
Leistungsbedarf durch das galvanische Element 1 bereitgestellt werden muss, kann Luft beziehungsweise Sauerstoff 12 durch die zweiten Membrane 8 in den Hohlraum 7 nachströmen und dort gepuffert werden. Das heißt, der Hohlraum 7 stellt sicher, dass bei einem hohen Leistungsbedarf der Luftelektrode 3 ausreichend Luft 12 bereitgestellt werden kann.
Während des Betriebes des galvanischen Elementes 1 wandern Lithiumionen 10 von der Lithiumelektrode 2 durch den elektrisch leitfähigen Elektrolyten 4 hindurch zur Kathode, das heißt zur Luftelektrode 3. Die zurückbleibenden freien
Elektronen 1 1 fließen durch einen äußeren Stromkreis 13, insbesondere einem Verbraucher 14, zur Luftelektrode 3 und verbinden sich dort mit Sauerstoff 12 und Lithiumionen 10 zu Lithiumperoxid. Beim Aufladen läuft der umgekehrte Vorgang ab. Das heißt, in der Luftelektrode 3 kommt es zu einer Reaktion mit dem Sauerstoff 12, der aus dem Hohlraum 7 zu der Luftelektrode 3 gelangt.
Fig. 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen galvanischen Elementes 1. Das Gehäuse 6 bildet zusammen mit der ersten Membran 5 den Hohlraum 7, der mit einem porösen Füllmaterial 15 ausgekleidet sein kann, siehe Fig. 2. Die eigentliche Metall-Luft-Zelle 1 befindet sich im
Inneren der ersten Membran 5. Die erste Membran 5 ist üblicherweise als ein gelochtes Metall- oder Kunststoffgehäuse bzw. Verbundgehäuse ausgebildet. Die äußere Membran 8 weist nur eine geringe Porosität auf und sperrt sehr gut gegen Wasserdampf ab. Wird ein hoher Leistungsbedarf benötigt, z. B. beim Beschleunigen eines Kraftfahrzeugs, so wird der dafür benötigte Sauerstoff 12 im
Hohlraum 7 bereitgestellt. In den Phasen, in denen die Belastung nur gering ist, kann der Sauerstoff 12 durch die zweite Membran 8 in den Hohlraum 7 nachströmen. Die erste„innere" Membran 5 ist deutlich durchlässiger und ermöglicht so eine hohe Leistungsfähigkeit des galvanischen Elementes 1 , könnte aber Wasserdampf nicht gut abweisen.
Eine weitere Ausführungsform eines galvanischen Elementes 1 ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Das galvanische Element 1 weist zusätzliche zweite Membrane 8 zur Luftzuführung in der Mitte des galvanischen Elementes 1 auf.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Galvanisches Element (1), mit einer Metallelektrode (2), einer Luftelektrode (3) als Gegenelektrode und einem elektrisch leitfähigen Elektrolyt (4) zwischen der Metallelektrode (2) und der Luftelektrode (3), wobei eine erste Membran (5) vorgesehen ist, durch die Luft zu der Luftelektrode (3) hindurchtreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein
Gehäuse (6) vorgesehen ist, welches die erste Membran (5) derart abdeckt, dass ein Hohlraum (7) zwischen der ersten Membran (5) und dem Gehäuse (6) ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (6) zumindest bereichsweise durch eine zweite Membran (8) gebildet ist oder wenigstens eine Öffnung (9) aufweist, in der eine zweite Membran (8) angeordnet ist, wobei durch die zweite Membran (8) Luft in den Hohlraum (7) hindurchtreten kann.
2. Galvanisches Element (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Membran (8) eine im Vergleich zur ersten Membran (5) geringere Porosität aufweist.
3. Galvanisches Element (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Membran (8) eine im Vergleich zur ersten Membran (5) geringere, insbesondere deutlich geringere,
Wasserdampfdurchlässigkeit aufweist.
4. Galvanisches Element (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftelektrode (3) und/oder in dem Hohlraum (7) ein poröses Füllmaterial angeordnet ist.
5. Galvanisches Element (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftelektrode (3) ein Katalysator (9) zur Unterstützung der Luftzufuhr von dem Hohlraum (7) in die Luftelektrode (3) vorgesehen ist.
6. Galvanisches Element (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (5) als ein gelochtes Gehäuseelement ausgebildet ist.
7. Galvanisches Element (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Elektrolyt (4) eine ionische Flüssigkeit oder Polymer oder Keramik aufweist.
8. Galvanisches Element (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektrode (2) Lithium oder Zink aufweist.
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